RICERCA ITALIANA     

Analisi delle Instabilità Indotte dai Fenomeni di Cavitazione in Turbopompe di Razzi a Propellente Liquido

Università di Pisa

Abstract

Le turbopompe per alimentazione del propellente sono un componente cruciale di tutti i sistemi di propulsione primaria basati sull'impiego di razzi a propellente liquido a causa delle severe limitazioni associate con il progetto di macchine ad alta densità di potenza, dinamicamente stabili ed in grado di soddisfare i requisiti estremamente stringenti in termini di aspirazione, pompaggio ed affidabilità dei moderni sistemi di trasporto spaziali. In queste macchine la cavitazione rappresenta la principale fonte di deterioramento delle prestazioni e può spesso fornire al flusso l'eccitazione e la comprimibilità necessarie per scatenare pericolose instabilità. Oggigiorno la sperimentazione gioca ancora un ruolo determinate per il progresso tecnologico in questo campo, poiché l'estrema complessità e la non perfetta conoscenza dei pertinenti fenomeni fluidodinamici non-stazionari impediscono di affidarsi esclusivamente alle predizioni teoriche e/o numeriche. L'unità di ricerca di Pisa si propone pertanto lo studio delle instabilità indotte dalla cavitazione nei tipici induttori d'impiego spaziale mediante prove sperimentali nel CPRTF (Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility), un impianto appositamente sviluppato per consentire prove in similitudine sia fluidodinamica che di cavitazione termica, un aspetto quest'ultimo d'importanza cruciale in gran parte delle applicazioni propulsive spaziali.

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luca D'AGOSTINO Università di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

In termini generali il programma proposto si rivolge alla ricerca sulla propulsione a razzo a propellenti liquidi per contribuire al consolidamento della posizione scientifica ed industriale nazionale in un settore essenziale perchè l'Italia possa continuare a svolgere un ruolo di primo piano nello sviluppo dei futuri sistemi di trasporto spaziale europei. L'obiettivo specifico dell'attività proposta consiste nel fornire ai progettisti di turbopompe ad alte prestazioni una comprensione più profonda dello sviluppo di instabilità di flusso pericolose e di importanza cruciale nelle applicazioni propulsive a razzo. I risultati delle prove forniranno dati sperimentali sulla dipendenza delle instabilità indotte dalla cavitazione dai parametri di similitudine che descrivono le condizioni di funzionamento della macchina e l'intensità degli effetti termici, che si verificano comunemente in gran parte dei propellenti criogenici. Mediante estrapolazione basata su leggi di similitudine ben stabilite, questa informazione consentirà di effettuare previsioni realistiche di questi fenomeni, contribuendo pertanto ad indentificare i regimi operativi che sono suscettibili di sviluppare instabilità fluidodinamiche pericolose e potenzialmente distruttive. Tale obiettivo è particolarmente rilevante nel caso delle attuali e future turbopompe spaziali con funzionamento supercritico, in cui la presenza di cavitazione è potenzialmente in grado di spostare le velocità critiche nel campo di >>>

Risultati parziali attesi

I risultati dello studio proposto consisteranno in:
• progettazione, realizzazione, messa a punto e dimostrazione dell'apparato sperimentale e del relativo "hardware" (pompa ed induttore, adattmenti del circuito e montaggi, strumentazione ottica e di monitoraggio del flusso, sistema e "software" di acquisizione e riduzione dei dati);
• la caratterizzazione delle prestazioni di pompaggio ed aspirazione della pompa (caratteristiche di prevalenza e di cavitazione) con e senza effetti termici;
• l'identificazione delle condizioni di funzionamento che danno luogo ad instabilità indotte dalla cavitazione in assenza degli effetti termici;
• la caratterizzazione del tipo e della estensione delle instabilità mediante i sensori di pressione e di flusso e le relative tecniche diagnostiche;
• la caratterizzazione ottica del flusso cavitante sulle pale dell'induttore, per monitorare la forma, l'estensione e la distribuzione da pala a pala della cavitazione;
• la caratterizzazione dell'influenza degli effetti termici mediante prove a temperature crescenti e condizioni operative costanti (coefficiente di prevalenza e numero di cavitazione);
• la documentazione dell'apparato sperimentale, delle misure e delle analisi dei risultati delle prove.

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La propulsione chimica a razzo ed i sistemi da essa derivati continueranno a giocare un ruolo centrale nei futuri sistemi di trasporto spaziale (STS's), essendo l'unica tecnologia percorribile capace di generare i livelli di spinta relativamente elevati necessari per il lancio e per gran parte della propulsione primaria in una vasta gamma di missioni spaziali. Tuttavia, con il rapido sviluppo degli aspetti commerciali dell'accesso allo spazio, le forze del mercato stanno cominciando a pesare sempre più nel plasmare e nell'indirizzare gli sforzi di ricerca e sviluppo. Fino a non molto tempo fa i costi dei lanciatori hanno avuto un'importanza secondaria rispetto all'obiettivo strategico di garantire un accesso indipendente allo spazio. Per questo motivo i governi sono stati disposti a finanziare sia lo sviluppo di missioni spaziali che il costo delle infrastrutture di terra e delle operazioni di lancio. Oggi il valore strategico dei sistemi di lancio, sebbene ancora importante per mantenere l'accesso allo spazio e preservare l'esperienza e le capacità dell'industria manifatturiera, è stato ridimensionato a favore di una strategia di riduzione dei costi, che consenta di porre l'industria in condizione di offrire sul mercato mondiale sistemi di lancio a prezzi competitivi per missioni ed applicazioni commerciali. Il contenimento dei costi e l'aumento delle prestazioni sono pertanto diventati le forze determinanti dell'evoluzione dei futuri lanciatori sia riutilizzabili (RLV's >>>